專利名稱：導光體及其制造方法
技術領域：
本發明涉及導光體、特別是涉及在光學媒質中含有使光發生散射的粒子、從一個端面入射的光一邊被上述粒子散射、一邊向另一端面側傳播的導光體。
另外，本發明還涉及該導光體的制造方法。
背景技術：
以往，如專利文獻1和專利文獻2所示，在PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等的光學媒質內含有使光散射的粒子，從一個端面入射的光一邊被上述粒子散射、一邊向另一端面側傳播，形成眾所周知的導光體。
這種導光體除了其側端面與周圍媒質(空氣或覆蓋層)的界面上的全反射作用外，由于光學媒質內的粒子一邊產生散射，一邊又傳播光，與只利用全反射作用來傳播光的導光體相比，能夠使從出射端面取出來的光的強度分布更加均勻。利用這一優點的這種導光體，例如特開平10-123350號公報所示，可以考慮用于形成在一個端面結合有輸入光信號的輸入部、同時在另一端面結合有多個輸出部、輸入的光信號分配為多個輸出部的共同信號的光數據總線。另外，如專利文獻1～3所示，這種導光體在液晶顯示裝置中可以考慮用于形成具有良好的光傳輸效率的均勻的照明光。
特許第3162398號公報(第7～9頁，第3圖)[專利文獻2]特許第3184219號公報(第9～11頁，第1，3圖)[專利文獻3]特許第3215218號公報(第10～11頁，第2，8圖) 特開平10-123350號公報(第5～7頁，第3～6圖)發明內容(發明要解決的技術課題)以往的上述導光體中，不可能簡單地求出實現所希望的光取出效率或均勻的射出光強度分布的設計條件。所以，過去為了得到所希望的特性的導光體，需要改變光學媒質中含有的粒子的粒徑和粒子密度，制作多個導光體，然后從中選出具有所希望的光取出效率和均勻的射出光強度分布的導光體，或者利用計算機進行大致的模擬來求出設計條件。
考慮到上述情況，本發明的目的在于提供能夠簡單制造具有所希望的特性的導光體的方法。
另外，本發明的目的還在于提供具有良好的光取出效率以及均勻的射出光強度分布的導光體。
(解決方法)本發明的導光體制造方法的特征是，對于在上述光學媒質中含有使光發生散射的粒子、從一個端面入射的光一邊被上述粒子散射、一邊向另一端面側傳播的導光體的制造方法，當所希望的光取出效率為Eout、修正系數為Kc、損失系數為KL時，上述散射粒子的散射截面積Ф、上述光學媒質的光傳播方向的長度LG、粒子密度Np的數值滿足下式Eout＝exp{-(Ф·Np·LG·Kc)}·KL。
另外，本發明的導光體的特征是，對于在光學媒質中含有使光發生散射的粒子、從一個端面入射的光一邊被上述粒子散射、一邊向另一端面側傳播的導光體，當上述散射粒子的散射截面積為Ф、上述光學媒質的光傳播方向的長度為LG、粒子密度為Np、修正系數為Kc時，Ф·Np·LG·Kc的值小于0.9，最好為小于0.4。
另外，具有上述結構的導光體對于入射光在入射、出射端面以外的各面根據Snell’s Law往復反射，周圍媒質的折射率為Ns、母材的光學媒質的折射率為Nm、入射角為θm、折射角為θs時，當不含粒子時如果
Nm·sinθm＝Ns·sinθs則最好為滿足sinθs＞1的形狀的光學媒質所構成。
另外，具有上述結構的導光體的從至少一個射出端面射出的光線在該射出端面的反射、折射滿足Snell’s Law，周圍媒質的折射率為Ns、母材的光學媒質的折射率為Nm、入射角為θm、折射角為θs時，當不含粒子時如果Nm·sinθm＝Ns·sinθs則最好為滿足sinθs＜1的形狀的光學媒質所構成。
另外，本發明的導光體中，混入光學媒質的粒子可以是遵守Mie散射理論的非磁性導體粒子。另外在光學媒質中，混入的粒子也可以有梯度分布。
還有，本發明的導光體也可以由多個光學媒質組合而成。
(發明效果)上述專利文獻1和2中提出了利用不均勻折射率的結構、或者在光學媒質中混入、擴散電介質粒子，實現所希望的光強度分布的導光路的方法。另外，這些專利文獻1和2通過應用Debye的濁度(Turbidity)理論(Joumal of Applied Phydisc Vol.20，pp.518-525(1949))，能夠提高散射光強度，同時實現射出口的光強度分布的均勻化。Debye在Einstein的“氣體或液體中的介電常數的熱起伏的理論”(Annalen Der Physik 33pp.1275-1298(1910))的文中，特別引用了有關散射光的分析，上述論文中Einstein的公式如下i/Io＝(RT/N)·[(ε-1)2(ε+2)2/P]·(2π/λ)[V/(4πD)2]cos2θ......(1)這里，i為離開散射體距離為D的位置的光強度，Io為入射光的強度，R為氣體常數，T為絕對溫度，N為1克分子中的分子數，ε為對于波長λ的折射率的2次方(介電常數)，
P為加在流體上的壓力，λ為波長，V為光散射體的體積，D為光散射體與觀測點之間的距離，θ為散射角上述Einstein的公式經Debye變形，由下式表示i/I＝<η>2/ε2(π2V/λ4R2)·(1+cos2θ)/2·ω ...... (2)這里，i為離開散射體距離為D的位置的光強度，Io為入射光的強度，ε為散射體的介電常數，<η>2為散射體的介電常數的起伏的均方值，R為散射體與觀測點之間的距離，λ為波長，V為光散射體的全體積，θ為散射角，ω為相關體積，另外，ω＝4π∫sin(ksr)/ksr·r2γ(r)dr ......(3)k為波數，s為入射光的單位矢量與射出光的單位矢量的合成矢量的長度，r為產生介電常數起伏的2點間的距離，s＝2sin(θ/2)Debye得出，當相關函數γ(r)為γ(r)＝exp(-r/a)(a相關距離)時，相關體積ω可以積分，所以(3)式可以變為ω＝8πa3/(1+k2s2a2)2......(4)根據公式(2)、(4)，i/I＝<η>2/ε2(π2V/λ4R2)·(1+cos2θ)/2·8πa3/(1+k2s2a2)2這里，如果使用s＝2sin(θ/2)，公式(2)變為i/I＝4πa3<η>2/ε2(π2V/λ4R2)·(1+cos2θ)
/(1+8π2(1-cosθ)(a/λ)2)2...... (5)公式(4)中的散射角強度項可用下式表示f(θ)＝(1+cos2θ)/(1+8π2(1-cosθ)(a/λ)2)2... (6)利用公式(6)計算出每個代表性的(a/λ)值，求出散射角標準化強度的結果如圖1所示。另外，根據Mie散射理論， 對于每個代表性的粒徑Dp的值，求出散射角標準化強度的結果如圖2所示。
根據專利文獻1、2和3，可以考慮粒徑基本上與相關距離相等，從圖1可知，粒徑為波長尺度時，前方散射光的強度增加；粒徑超過波長的10倍時，側方散射光的強度極大，光幾乎不向前方傳播。另一方面，根據Mie散射理論，從圖2可知，即使粒徑超過波長的10倍，前方散射光的強度仍然很強。Debye的濁度理論中，如果采用γ(r)＝exp(-r/a)近似，粒徑為波長尺度時，與Mie散射的結果相近，但對于大粒徑則與Mie散射理論有很大的差別。
從上述分析可知，作為在所希望的光學媒質中混入使光發生散射的粒子、從而使入射的光呈均勻強度分布射出而所采用的計算方法，粒子的尺寸遠小于波長時，可以采用Rayreigh散射來表示，而粒子的尺寸非常大時，采用表示Hoygens-Freshel衍射的Mie散射理論更為合適。另外，Mie散射理論為1個粒子系統，對于多粒子散射，必須采用基于Mie散射理論的多粒子系統來進行分析。
本發明的導光體的制造方法在上述分析基礎上，可以簡單求出實現所希望的光取出效率的導光體的設計條件。以下詳細說明這一方法。
“散射截面積”首先說明散射截面積Ф。除了Mie散射理論外，在可視光區域以外的γ射線和X射線等射線區域以及紅外線或微波等的長波長區域，也廣泛采用散射截面積的概念。當粒徑與波長的關系在Rayreigh區域時，散射截面積Ф可以用下式表示Ф＝128·π5·(ap6/3λ4)·{(n2-1)/(n2+2)}2...... (7)這里，ap為粒徑，λ為入射光的波長，n為相對折射率。
另一方面，Mie理論中，散射截面積Ф可以用式(8)表示。
Φ=(λ2/2π)Σn=1∞(2n+1)·[|an|2+|bn|2]······(8)]]>λ為入射光的波長， φn(kr)＝(πkr/2)·Jn+1/2(kr)，Jn+1/2(kr)第1類Bessel函數，k為波數(2π/λ)，r為極坐標下的距離成分，φ’n為φn的導函數。
ξn(kr)＝φn(kr)+i·xn(kr)xn(kr)＝-(πkr/2)·Nn+1/2(kr)Nn+1/2(kr)為Neumann的第2類Bessel函數，ξ’n為ξn的導函數，α＝2πa/λβ＝N·α上式(8)中的a/λ＞＞1的極限情況下，散射截面積Ф為Ф＝Mπap2(收斂時M≈2) ...... (9)根據式(8)，在2πap/λ≈1的區域，上述M在1＜M＜6之間振動。
這里，圖3a、b以及c分別表示相對折射率n為1.1、1.5、2.1時的M的振動的情況。從這些圖可知，Mie散射區域的散射截面積Ф隨著粒徑Dp的增大而振動？收斂。即使在這一振動區域，相對折射率為從1到2的大范圍內，也可以根據圖3a～c求出與各粒徑對應的與Mie的散射區域的收斂的幾何學散射截面積πap2相乘的數值。
根據上述公式(7)、(9)求出的幾個相對折射率n的粒徑Dp和散射截面積Ф的關系如圖4所示。另外，根據Mie散射理論用計算機模擬得到的多粒子系統的粒徑Dp與乘以某數后的粒子密度的倒數的關系如圖5所示。
還有，這些計算機模擬為具有某一有限散角的光入射到內部含有粒子的邊長為10mm到1000mm的各種尺寸的立方體形狀的光學媒質的情況。即入射光與立方體的尺寸相似變化。另外，粒徑Dp在從Rayreigh散射區域到Fresnel折射區域的大范圍內變化。另外，這些計算機模擬中，光在與入射側相對的位置處以與入射光相同的方向射出，立方體的光的射出端的光取出效率為80％左右。
根據圖4和5，可以知道散射截面積和有限尺寸的光學媒質中的粒子數之間存在密切的關系。
“Lambert-Beer法則與散射截面積”根據Lambert-Beer法則，平行光束入射到各向同性媒質時的透射率T為T＝I/Io＝exp(-ρ·x) ...... (10)這里，x為距離，Io為入射光強度，I為射出光強度，ρ為衰減常數。
當粒子的散射截面積Ф，媒質中含有的單位體積中的粒子數為Np時，上述衰減常數ρ為ρ＝Ф·Np·Kc...... (11)這里，Kc為根據經驗求得的光在有限空間的光學媒質中傳播時的無量綱的修正系數。
在設計導光體時一般所需要的參數為光學媒質的體積V、混入粒子數NpT以及粒徑Dp。現在分析此時射出光強度的變化情況。
這里，Np＝NpT/V。還有，從圖4與圖5的比較和類推以及圖中未表示的一些數據，可以確定Kc。在本計算中，從圖4，圖5以及圖中未表示的一些數據，得到Kc＝0.004。粒徑Dp與散射截面積Ф之間的關系如公式(7)，(9)，所以當光學媒質的光軸方向的長度為LG時，光取出效率Eout為Eout＝exp{-(Ф·Np·LG·Kc)}...... (13)根據公式(13)，如果Ф·Np·LG為常數，取出效率則為一定。即可以隨著光學媒質的光軸方向的長度LG改變Np。
還有，當不存在粒子時，綜合考慮到立體的形狀、入射光的強度分布、與入射角度有關的Fresnel損失、內部透射率等，用損失系數KL來表示，則Eout＝exp{-(Ф·Np·LG·Kc)}·KL...... (14)即，當可以利用散射粒子的散射截面積Ф、粒子密度Np、光學媒質的光傳播方向的長度LG、修正系數Kc、損失系數KL來求出效率Eout。換句話說，給定所希望的光取出效率Eout時，如果滿足上面公式(14)，就能夠實現這一光取出效率Eout。
“Fresnel損失因子”如果首先考慮反射率，p偏光成分為Rp，s偏光成分為Rs，則Fresnel損失為Rp＝tan(θi-θr)/tan(θi+θr)...(15a)Rs＝-sin(θi-θr)/sin(θi+θr)...(15b)這里，θi為入射角，θr為折射角。
所以，根據公式(15a)、(15b)，反射光的強度Ir為Ir＝(Rp2+Rs2)/2...... (16)根據公式(16)，透射光強度It為It＝1-Ir ... (17)考慮到入射光的強度分布，透射光強度為It’，公式(17)變為It’(θi)＝It(θi)·D(θi) ...... (18)D(θi)為強度分布函數。
“Fresnel損失的計算”具有任意散角的光束入射到光學媒質上時，對于任意的入射角θi，Fresnel損失會發生變化。如果光束的最大入射角為θmax，在界面的Fresnel損失則為[數2]∫0θmaxIt(θi)·D(θi)dθi/∫0θmaxD(θi)dθi·······(19)]]>為了簡化計算，將入射光的強度分布設為矩形，上面公式(19)變為[數3]∫0θmaxIt(θi)dθi/∫0θmaxdθi·····(20)]]>根據公式20求出的相對光學媒質的各種折射率的Fresnel損失的結果如圖6所示。圖6中的縱軸上用透射率來表示損失。即透射率1表示損失為0。
“包含Fresnel損失的光取出效率的計算”從上述圖6可知，當入射角小于30度時，光學媒質的折射率與周圍媒質的折射率即使差異很大，Fresnel損失也基本相同。現在，光學媒質為長方體(立方體，圓筒等亦同)時，保存反射·折射時的光線的方向余弦，當不存在粒子時，可以認為入射角和射出角相等。另外，當內部透射率Tin≈1時，入射面的透射率與射出面的透射率的積為全透射率Ttotal。這樣，光學媒質的折射率為n＝1.5時，Ttotal＝0.92。
所以，公式(14)變為Eout＝exp{-(Ф·Np·LG·Kc)}·0.92 ...... (14b)根據公式(14b)求出的粒徑與光取出效率的關系的結果如圖7a～e所示。還有，當存在入射光強度分布時，或入射光的入射角度大于30度時，可以根據公式(19)和公式(20)求出Fresnel損失，代入公式(14b)即可。但是，考慮射出時的臨界角，入射光的散角的半角最好為30度左右。
上述圖7a～e為根據本計算方法首先確定各粒徑的平均所希望的光取出效率，與此對應的各粒徑的計算值(10mmC，100mmC，1000mmC)與本計算采用的粒徑，粒子密度的精確模擬(S10mm，S100mm，S1000mm)的結果。平均所希望的光取出效率在圖7a、7b、7c、7d、7e分別為80％、70％、60％、50％、40％。散射截面積Ф的計算當粒徑為20nm時采用Rayreigh理論，當粒徑為200nm以上時采用Mie理論。S表示模擬，C表示本計算結果。另外，數值表示光學媒質的光傳播方向的長度LG。
根據圖7a～e，平均所希望的光取出效率為60％以上時，與精確模擬結果的誤差小于10％，具有良好的一致性。也就是說，Ф·Np·LG·Kc的值小于0.4時，誤差小于10％。另外同時也可知道，上述值即使小于0.9，誤差仍小于50％。還有，KL的值采用了經驗值0.92。在進行模擬或試制時，即使出現50％的誤差，對光取出效率的設定也不會產生大問題。不用說誤差在10％以內時，沒有必要進行模擬，也沒有必要對數種樣品進行評價挑選，從而可以提高開發效率。
從上述結果可知，即使不依靠Mie散射的復雜理論，通過采用根據相對簡單的Rayreigh區域和Mie散射收斂區域的結果的公式(14)，也能夠得到有關光取出效率的良好的解。本發明方法在此知識基礎上，如上所述，通過滿足Eout＝exp{-(Ф·Np·LG·Kc)}·KL實現所希望的光取出效率Eout。
<計算例>
根據公式(14)計算的其他形狀即片狀長方體，圓筒，長方體等的結果如表1～9以及圖16a-i所示。還有，表1的數值的圖表為圖16a，同樣，表2與圖16b，表3與圖16c，等分別對應。對于這些表中的計算結果，Ф·Np·LG·Kc的值均為0.9以下。還有，KL值均為0.92。
圖16a～i中的(C)、(S)分別表示本計算的結果和精確模擬的結果。另外，數值表示光學媒質的尺寸(mm)。所希望的光取出效率為各粒徑的平均值。從表1～9以及圖16a～i可知，本計算結果與模擬結果的一致性非常好。特別是對于粒徑2000nm的結果，本計算方法與模擬更是一致。
“射出光強度分布特性”射出光強度分布特性由于受到光源強度分布，散角，光源數量與配置等影響，所以采用模擬方法進行評價。這樣求得的每個粒徑的射出光強度分布特性如圖8～10所示。這里，光源處于光學媒質的入射側斷面的中心位置，散角的半角為30度。圖8a、b、c為與表1條件相同的對于片狀長方體進行模擬的結果，分別表示片狀的尺寸為小、中、大等情況。另外，圖9a、b為與表4條件相同的對于圓筒進行模擬的結果，分別表示圓筒的尺寸為小、大等情況。圖10為與表7條件相同的對于長方體進行模擬的結果。
從這些圖可知，截面為矩形的光學媒質的光取出效率為90％左右，基本實現了均勻的強度分布。另外，圓筒狀光學媒質的光取出效率即使相同，粒徑小于200nm時的射出光強度分布反而更加狹窄，如果需要均勻分布，就必須避開這一粒徑范圍。從上述分析和計算機模擬得知，在任意的光學媒質中混入使光散射的粒子來制造導光體時，首先根據公式(14)，從各粒徑的散射截面積、粒子密度、光學媒質的尺寸等，也能夠預先確定光取出效率。還有，也能夠利用精確模擬來求得光強度分布特性。或者，也可以按照從公式(14)得到的預先確定的條件，制造數種樣品，然后通過實驗進行評價。
還有，通過使本發明的導光體為滿足上述的關系Ф·Np·LG·Kc≤0.4的結構，能夠使得與模擬的誤差小于10％，從而獲得具有良好的光取出效率以及均勻的射出光強度分布。
圖1是表示由Debye濁度理論得到的散射角標準化強度的曲線圖。
圖2是表示由Mie散射理論得到的散射角標準化強度的曲線圖。
圖3a是表示相對折射率為1.1時的根據Mie散射理論得到的散射截面積的振動狀況的曲線圖。
圖3b是表示相對折射率為1.5時的根據Mie理論得到的散射截面積的振動狀況的曲線圖。
圖3c是表示相對折射率為2.1時的根據Mie理論得到的散射截面積的振動狀況的曲線圖。
圖4是表示各個相對折射率的計算機模擬得到的粒徑與散射截面積的關系的曲線圖。
圖5是表示計算機模擬得到的多粒子系統的粒徑與粒子密度的倒數的關系的結果曲線圖。
圖6是表示相對光學媒質的各種折射率的Fresnel損失的曲線圖。
圖7a是表示本發明方法與計算機模擬得到的粒徑與光取出效率的關系比較結果的曲線圖(希望光取出效率為80％)。
圖7b是表示本發明方法與計算機模擬得到的粒徑與光取出效率的關系比較結果的曲線圖(希望光取出效率為70％)。
圖7c是表示本發明方法與計算機模擬得到的粒徑與光取出效率的關系比較結果的曲線圖(希望光取出效率為60％)。
圖7d是表示本發明方法與計算機模擬得到的粒徑與光取出效率的關系比較結果的曲線圖(希望光取出效率為50％)。
圖7e是表示本發明方法與計算機模擬得到的粒徑與光取出效率的關系比較結果的曲線圖(希望光取出效率為40％)。
圖8a是表示小片尺寸的片狀導光體的射出光強度分布特性的曲線圖。
圖8b是表示中片尺寸的片狀導光體的射出光強度分布特性的曲線圖。
圖8c是表示大片尺寸的片狀導光體的射出光強度分布特性的曲線圖。
圖9a是表示小圓筒尺寸的圓筒狀導光體的射出光強度分布特性的曲線圖。
圖9b是表示大圓筒尺寸的圓筒狀導光體的射出光強度分布特性的曲線圖。
圖10是表示長方體狀導光體的射出光強度分布特性的曲線圖。
圖11是表示本發明的第1實施方式的片狀導光體的形狀的俯視圖。
圖12是表示上述片狀導光體的射出光強度分布的曲線圖。
圖13是表示適用于本發明的第2實施方式的導光體的照明系統的側視圖。
圖14a是表示上述第2實施方式的導光體的中心部的射出光強度分布的曲線圖。
圖14b是表示上述第2實施方式的導光體的3維的射出光強度分布的曲線圖。
圖15是表示本發明的第3實施方式的導光體的中心部的射出光強度分布的曲線圖。
圖16a是表示計算與模擬的時候比較片狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為80％)。
圖16b是表示計算與模擬的時候比較片狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為70％)。
圖16c是表示計算與模擬的時候比較片狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為60％)。
圖16d是表示計算與模擬的時候比較圓筒狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為80％)。
圖16e是表示計算與模擬的時候比較圓筒狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為70％)。
圖16f是表示計算與模擬的時候比較圓筒狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為60％)。
圖16g是表示計算與模擬的時候比較長方體狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為80％)。
圖16h是表示計算與模擬的時候比較長方體狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為70％)。
圖16I是表示計算與模擬的時候比較長方體狀導光體的粒徑與光取出效率的關系的曲線圖(希望光取出效率為60％)。
符號說明10—片狀導光體；21，22，23，31，32，33—光纖維；40—光源；41—照明光；42—調光過濾片；43—鏡盒(mirror box)。
具體實施例方式
以下參照附圖，詳細說明本發明的實施方式。
圖11表示本發明第1實施方式的片狀導光體的平面形狀。片狀導光體被考慮用作光通信的總線。這里，為了雙方向通信，必須采用透射型。本實施方式的導光體為這種透射型的片狀導光體10，其一端面上與多個光纖維21、22以及23連接，同時另一端面與光纖維31、32以及33連接。此時，可以使得在各光纖維上高效率地均勻分配光量。另外，根據片狀導光體自身的衰減和光纖維的結合損失，光取出效率Eout大于0.9，而對于射出光強度分布，導光體的射出端的最大光強度，最小光強度分別為Imax、Imin，則最好滿足(Imax-Imin)/(Imax+Imin)×100＜10(％)為了實現上述Eout≥0.9，采用直徑為7μm的粒子，Eout＝0.9，采用上述公式(14b)求得設計條件如下散射截面積Ф＝7.7×10-6(m2)片總線長度LG＝20(mm)粒子密度Np＝1.4×104(個/mm3)此時，Ф·Np·LG·Kc的值為0.022，KL的值為0.92。另外，該片狀導光體的射出光強度分布如圖12所示。此時，模擬得到的光取出效率Eout(SIM)為0.91。
接著，說明本發明的第2實施方式。作為照相領域所使用的一種負片照明系統，構成擴散照明系統的鏡盒廣為人知。圖13表示采用這種鏡盒的負片照明系統。在這種系統中，從光源40出來的照明光41通過調光過濾片42入射到鏡盒43。在該鏡盒43中擴散并均勻分布的照明光41照射到負片膠片44上，這一被照明的負片膠片44的像通過成像透鏡45在彩色印像紙的印像紙46上成像。還有，在數字化暗室等中，讀取上述負片膠片44的像的CCD等攝像元件47替代印像紙46，這里讀取的像在圖中未表示的圖像記錄系統中印刷到印像紙上。
這里，鏡盒43的射出面的尺寸遠大于負片膠片44的一幅像的尺寸，例如與135規格的負片膠片44對應時尺寸約為60mm角。另外，光傳播方向的尺寸為大約100mm。在數字化暗室中，線照明采用梯度型的鏡盒以提高射出口的光功率密度，面照明采用與模擬化暗室相同形狀的鏡盒，光源40采用鹵燈或LED。
鏡盒43的重要點在于射出的光使得負片膠片44的圖像部分的強度分布基本上很平整。另外，特別是在數字化暗室，雖然攝像元件47采用了CCD，從而不再需要象模擬化暗室那樣的光強度分布的平整度，但考慮到CCD的飽和電子數與成像透鏡45的遮光，射出光強度分布最好在10％以內。
本實施方式的導光體為替代上述鏡盒43特別是面照明類的光源。考慮到照射負片的需要，采用了在可視區域的散射截面積的波長依存性較小的粒徑為10μm的粒子。Eout＝0.9，利用上述公式(14b)求得設計條件如下導光體尺寸W×T×LG＝60×60×100(mm)散射截面積Ф＝1.57×10-4(mm2)導光體長度LG＝100(mm)粒子密度Np＝1.4×103(個/mm3)另外，該導光體的中心部的射出光強度分布如圖14a所示。3維的射出光強度分布如圖14b所示。此時，模擬得到的光取出效率Eout(SIM)為0.9。另外，當光取出效率Eout為0.8時，粒子密度Np＝2.2×103(個/mm3)，此時的光取出效率Eout(SIM)為0.74，可見一致性很好。另外，射出光強度分布在大約60％的范圍即36×36mm的范圍內達到了小于10％的目的。
接著，說明本發明的第3實施方式。本實施方式的導光體為替代上述鏡盒43特別是線照明類的光源。與上述相同，采用粒徑為10μm的粒子，Eout＝0.9，利用上述公式(14b)求得設計條件如下導光體尺寸W×T×LG＝30×2×60(mm)散射截面積Ф＝1.57×10-4(mm2)導光體長度LG＝60(mm)粒子密度Np＝8.0×102(個/mm3)。
另外，該導光體的中心部的射出光強度分布如圖15所示。此時，模擬得到的光取出效率Eout(SIM)為0.91。另外，如上所述一樣，當光取出效率Eout為0.8時，粒子密度Np＝3.6×103(個/mm3)，此時的光取出效率Eout(SIM)為完全相同的0.8。另外，射出光強度分布在大約80％的范圍內達到了小于10％的目的。還有，過去的梯度性鏡盒的尺寸甚至有W×T×L＝50×30×100(mm)，通過置換成本分析的導光體，可以使光學系統進一步小型化。還有，以上說明的第2、3實施方式的照明系統中為單個光源，射出光的散角的半角為30度。如果需要更加均勻的強度分布，當然可以增加光源的個數。另外，上述實施方式中，光學媒質的光軸為直線，但對于光軸為彎曲形狀的光學媒質，也能夠通過公式(14)、(19)進行計算和評價，也可以組合多個光學媒質。
還有，公式(14)中，沒有任何限制入射截面形狀的參數。反過來說，對于任何截面形狀，都可以采用公式(14)進行計算和評價。還有，公式(14)中的散射截面積也不限于球形的粒子，對于任何形狀的粒子都可以適用。
即通過計算或實際測量單位粒子密度的平均散射截面積，立刻就可以從公式(14)求出光取出效率。當然也適用于含有各種各樣粒子的情況。此時即使不可能進行模擬，也能夠確定制造條件，然后將確定的制造條件放寬，制造出樣品，進行評價，從而提高開發效率。
權利要求
1.一種導光體的制造方法，是對于在光學媒質中含有使光發生散射的粒子、從一個端面入射的光一邊被上述粒子散射、一邊向另一端面側傳播的導光體的制造方法，其特征在于當所需的光取出效率為Eout、修正系數為Kc、損失系數為KL時，所述粒子的散射截面積Ф、所述光學媒質的光傳播方向的長度LG、粒子密度Np的數值設定為滿足下式Eout＝exp{-(Ф·Np·LG·Kc)}·KL。
2.一種導光體，是對于在光學媒質中含有使光發生散射的粒子、從一個端面入射的光一邊被所述粒子散射、一邊向另一端面側傳播的導光體，其特征在于當所述粒子的散射截面積為Ф、所述光學媒質的光傳播方向的長度為LG、粒子密度為Np、修正系數為Kc時，Ф·Np·LG·Kc的值在0.9以下。
全文摘要
本發明提供一種導光體及其制造方法。為了獲得具有良好的光取出效率以及均勻的射出光強度分布的導光體。對于在光學媒質中含有使光發生散射的粒子、從一個端面入射的光一邊被上述粒子散射、一邊向另一端面側傳播的片狀導光體等的導光體，當上述粒子的散射截面積為Φ、上述光學媒質的光傳播方向的長度為L
文檔編號G02B6/00GK1504772SQ03155699
公開日2004年6月16日 申請日期2003年9月3日 優先權日2002年9月6日
發明者巖崎修, 原宏 申請人:富士膠片株式會社